[发明专利]涂层切削工具刀片

说明书

技术领域

本发明涉及一种高性能涂层切削工具刀片，其尤其适用于在干湿条件下以高切削速度在抛光至粗加工的范围内车削低合金钢、碳钢和坚韧的淬火钢，并具有经受高温的能力，而不牺牲刀刃安全性。该刀片基于WC、立方碳化物和钴粘结相，且富钴表面区域为切削刀片提供了很好的抗塑性变形性和高韧度性能。此外，涂层包括多个耐磨层，该耐磨层经过表面后处理，从而为工具刀片提供令人惊讶的改进切削性能。

背景技术

当今的切削工具大部分基于硬质合金刀片，该硬质合金刀片涂有若干坚硬层，如TiC、TiC_xN_y、TiN、TiC_xN_yO₂和Al₂O₃。仔细选择各涂层的顺序和厚度，以适合不同的切削应用领域和工件材料。最经常采用的涂层技术为化学气相沉积(CVD)和物理气相沉积(PVD)。CVD涂层刀片尤其在抗侧面磨损和抗月牙洼磨损方面具有超过无涂层刀片的很大优点。

CVD技术在相当高的温度范围，950-1050℃内进行。由于这种高沉积温度以及沉积的涂层材料和硬质合金工具刀片之间的热膨胀系数的不匹配，故CVD可能导致涂层具有冷却裂纹和高拉伸应力(有时高达1000MPa)。高拉伸应力在一些切削条件下可能是不利的，其原因在于这可使得冷却裂纹进一步扩展至硬质合金体并使得切削刃断裂。

在金属切削行业中，一直努力提高切削条件环境(envelope)，即在不牺牲在中断低速切削期间的抗破碎能力或抗切屑能力的情况下经受较高的切削速度的能力。

通过使刀片结合有富粘结相表面区域和优化的更厚涂层来实现应用环境中的重要改善。

然而，如果增加涂层厚度，则耐磨性上的正面效果将由增加的负面效果而失去平衡，该负面效果的形式为增加的涂层脱层的风险以及减少韧度而使切削工具更加不可靠。这尤其适用于较软的工件材料，诸如低碳钢和不锈钢以及当涂层厚度超过5-10μm时。此外，厚涂层通常具有更加不平坦的表面，当切削如低碳钢和不锈钢的涂抹(smearing)材料时，其将成为负面特征。通过刷涂或湿喷砂来对涂层进行后光滑处理，以应用补救措施，这公开在多个专利中，例如EP 0 298 729，EP1 306 150和EP 0 736 615中。例如，在US 5,861,210中，其目的为获得光滑的切削刃，并将Al₂O₃暴露，作为前刀面上的最外层，从而将TiN保留在间隙侧上，用作磨损检测层。获得了高耐剥落性的涂层。

每种暴露表面的后处理技术，例如将涂层表面暴露至例如湿喷砂或干喷砂的机械冲击，都将对涂层的表面光洁度和涂层的应力状态(α)产生一些影响。

强烈的喷砂冲击可降低CVD涂层中的拉伸应力，但是通常将以由于沿冷却裂纹形成槽而损失涂层表面光洁度为代价，或者甚至可以导致涂层脱层。

非常强烈的处理甚至可能将使得应力状态发生大的改变，例如，从高度张力改变为高度压力，如EP-A-1 311 712所公开，在该专利中使用了干喷砂技术。

现在令人惊讶地发现，组合某些硬质合金基底合成物和某些涂层结构和厚度，并且在控制条件下利用湿喷砂进行后处理的切削工具刀片在比现有技术切削工具刀片更宽的应用范围上获得优良的切削性能。

钴粘结相与W高度合金。粘结相中的W含量可表示为CW-ratio：

CM-ratio＝M_s/(wt-％Co×0.0161)

其中，M_s测量到的饱和磁化强度，单位为hAm²/kg；且wt-％Co为硬质合金中的钴含量。低的CW-ratio相当于钴粘结相中的高W含量。所采用的后处理将为涂层提供有利的拉伸应力水平，为Al₂O₃层提供某些重要的结晶特征，以及为顶表面提供优良的表面光洁度。

上述与喷砂技术的组合有效地扩大了可施加的涂层厚度的限制，而没有性能恶化。因此，本发明现在具有非常宽的应用领域。对韧度特性和涂层粘合的显著改善将是令人惊讶的。

为了通过喷砂显著地改变涂层的应力状态，喷砂介质(例如Al₂O₃砂砾)必须高冲击地撞击涂层表面。冲击力可通过以下条件控制，例如喷浆压力(湿喷砂)、喷砂喷管和涂层表面之间的距离、喷砂介质的粒度、喷砂介质的浓度和喷砂流的冲击角。

发明内容